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      光柵刻劃系統(tǒng)等速凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2014-09-04 00:57:52
      關(guān)鍵詞:刻線刻劃凸輪

      宋 楠

      (中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033)

      光柵刻劃系統(tǒng)等速凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

      宋 楠

      (中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林 長春 130033)

      從光柵刻劃機(jī)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā),推導(dǎo)了一種適用于低速運(yùn)動(dòng)的等速凸輪的輪廓線計(jì)算公式,并對(duì)凸輪的振動(dòng)情況進(jìn)行了模態(tài)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

      等速凸輪; 光柵刻劃; 振動(dòng)

      0 引 言

      衍射光柵作為一種光學(xué)分光元件廣泛應(yīng)用于光譜儀器中,光柵刻劃機(jī)作為衍射光柵母版制作的重要手段之一,在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械精度方面要求較高[1-2]?,F(xiàn)在國際上常用的光柵刻劃機(jī)工作方式為羅蘭型,即光柵刻刀在刻劃方向上作往復(fù)運(yùn)動(dòng),光柵基底垂直于刻劃方向作單向進(jìn)給??虅澐绞椒譃殚g歇式刻劃和連續(xù)式刻劃兩種,連續(xù)式刻劃即分度系統(tǒng)按一定速度連續(xù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)光柵刻刀在基底表面沿刻劃方向進(jìn)行刻劃,刻出的是一系列傾斜的平行線;間歇式刻劃即基底運(yùn)行一步后靜止,刻刀刻劃一條刻線的走-停式刻劃[3-4]。由于刻線密集(每毫米幾百~數(shù)千線),間距很小,當(dāng)光柵基底過大、過重時(shí),使用連續(xù)式刻劃可以提高精度。

      在單一刻線的刻劃過程中,如果刻刀的運(yùn)行非勻速運(yùn)動(dòng),則基底表面鋁膜被擦光和被擠壓程度都不相同,影響光柵的刻劃質(zhì)量。此外,當(dāng)使用連續(xù)式刻劃方式時(shí),刻刀的非勻速運(yùn)動(dòng)會(huì)造成刻槽的彎曲,因此,必須盡量采用等速刻劃方式以保證光柵的整體質(zhì)量[5]。

      凸輪機(jī)構(gòu)簡單、緊湊,形式多樣,是常用的傳動(dòng)控制機(jī)構(gòu),可使用等速凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)等速刻劃。文中對(duì)等速凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化,并對(duì)其實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

      1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

      為實(shí)現(xiàn)大行程的等速運(yùn)動(dòng),并避免剛性沖擊,等速凸輪的輪廓曲線由兩條對(duì)稱的等速螺旋線及兩端非等速段的過渡曲線組成,如圖1所示。

      圖1 等速凸輪結(jié)構(gòu)

      2 凸輪選型分析

      凸輪機(jī)構(gòu)一般不采用單一的等速曲線,而是采用等速曲線與其它曲線組合的改進(jìn)型曲線。過渡曲線種類較多,在此僅分析圓弧及擺線兩種。

      2.1圓弧過渡曲線

      當(dāng)采用與等速螺旋線相切的圓弧作為過渡曲線時(shí),凸輪位移如圖2所示。

      圖2 圓弧過渡凸輪位移曲線

      在圓弧區(qū)內(nèi),從動(dòng)桿位移的一般表達(dá)式為:

      由三角形VWP可知:

      可以得到圓弧過渡區(qū)的位移、速度、加速度方程:

      圓弧過渡的等速凸輪推程區(qū)速度和加速度曲線如圖3所示。

      圖3 圓弧過渡凸輪加速度曲線

      由圖3可知,圓弧過渡的等速凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度連續(xù),而加速度不連續(xù),產(chǎn)生剛性沖擊,不利于系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性。

      2.2擺線過渡曲線

      擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱為正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,其推程期的運(yùn)動(dòng)方程式如下[6-7]:

      根據(jù)擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可以得出凸輪位移、速度、加速度的極坐標(biāo)方程。

      當(dāng)0≤φ<ф1時(shí),為凸輪加速階段:

      (1)

      當(dāng)ф1≤φ<180°-ф2時(shí),為凸輪等速階段

      (2)

      當(dāng)180°-ф2≤φ<180°時(shí),為凸輪減速階段:

      (3)

      式中: ф1,ф2----分別為加速段及減速段凸輪轉(zhuǎn)角;

      h1,h2----分別為加速段及減速段位移。

      為保證凸輪在運(yùn)動(dòng)過程中位移、速度和加速度連續(xù),即保證凸輪在通過φ=ф1及φ=180°-ф2時(shí)位移及速度的連續(xù),則有:

      解得:

      在采用擺線過渡的前提下,凸輪輪廓設(shè)計(jì)時(shí)需要保證加速度的峰值盡量小。約束條件如下:

      1)等速行程Sd范圍:

      2)總行程S:

      180k-0.5k(ф1+ф2)≤S

      3)從動(dòng)桿行程St處速度值與等速段速度值相差小于5%。

      由式(1)有

      4)凸輪曲線曲率半徑大于滾子半徑。此條件為保證凸輪推動(dòng)從動(dòng)桿時(shí)不會(huì)出現(xiàn)懸空,由于擺線曲率半徑求解較為復(fù)雜,可根據(jù)滾子半徑通過經(jīng)驗(yàn)判斷使ф1不過小即可。

      比如,某房屋發(fā)生火災(zāi),房屋主發(fā)現(xiàn)時(shí)火勢處于起步階段可以輕易撲滅,但房屋主聽之任之,火勢迅速蔓延,最終整個(gè)房屋毀損。本次事件中,房屋主發(fā)現(xiàn)火災(zāi)前產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失可以認(rèn)定為風(fēng)險(xiǎn)意義上的損失,但之后房屋毀損是其可預(yù)見,可防控的,則不能認(rèn)定為損失。

      將ф1,ф2,k,φt作為設(shè)計(jì)變量,將推程和回程的加速段最大值作為兩目標(biāo)函數(shù),使用MATLAB優(yōu)化工具箱函數(shù)fgoalattain求解最小值。由于兩目標(biāo)函數(shù)重要性相當(dāng),權(quán)重均取0.5。

      為最終確定凸輪輪廓曲線,還需要確定等速段的ρ1,該段唯一約束條件為輪廓曲線曲率半徑需要大于滾子半徑,以保證運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)懸空。

      3 實(shí)際計(jì)算結(jié)果及分析

      根據(jù)光柵刻劃系統(tǒng)實(shí)際需求,從動(dòng)桿等速行程Sd∈[197.5,200],總行程S≤210 mm,從動(dòng)桿運(yùn)行5 mm處速度與等速段速度差小于等速段速度的5%。

      經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得:

      為便于加工,將計(jì)算結(jié)果向上或向下取整。顯然當(dāng)k值一定時(shí),ф1,ф2值越大,則加速度峰值越小,引入系統(tǒng)的振動(dòng)也越小。

      圖4 ρ1=80,85,90,95,100 mm時(shí)凸輪的輪廓曲線

      圖4中最內(nèi)側(cè)曲線為ρ1=80mm,最外側(cè)曲線為ρ1=100mm。比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)ρ1=100mm時(shí),凸輪的輪廓曲線最為平滑,且過渡段最為平緩。至此,決定凸輪輪廓的全部參數(shù)都已確定,由式(1)~式(3)可給出凸輪曲線方程。

      對(duì)凸輪曲線方程求二階導(dǎo)數(shù),可以得到其加速度方程,繪出其加速度曲線(3r/min時(shí)),如圖5所示。

      圖5 凸輪加速度曲線

      可以看出,凸輪在運(yùn)動(dòng)中沒有加速度突變,即無剛性沖擊。事實(shí)上,為保證刻線質(zhì)量,一般不會(huì)超過10刻線/min,即凸輪轉(zhuǎn)速小于10r/min,為低速凸輪機(jī)構(gòu),激振頻率遠(yuǎn)低于系統(tǒng)最低固有頻率,因振動(dòng)引起的從動(dòng)件輸出端位移誤差很小[7]。

      對(duì)凸輪進(jìn)行適當(dāng)減重,并使用有限元分析軟件ANSYS劃分網(wǎng)格分析其固有頻率,如圖6和圖7所示。

      圖6 凸輪有限元?jiǎng)澐?/p>

      圖7 凸輪固有頻率

      凸輪工作時(shí),使其工作頻率避開各階固有頻率,不處于共振工作狀態(tài)即可。經(jīng)計(jì)算知凸輪轉(zhuǎn)速為3r/min時(shí)為非共振狀態(tài)。

      4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      根據(jù)計(jì)算結(jié)果加工凸輪,并測試其振動(dòng)情況,實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

      圖8 凸輪振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)裝置

      使用干涉儀10706B測量分度方向(垂直于刻劃方向即從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向)的振動(dòng),頻域數(shù)據(jù)如圖9所示。

      圖9 凸輪振動(dòng)頻域數(shù)據(jù)

      可以看出,其主要振動(dòng)頻率與模擬值基本符合。

      當(dāng)凸輪以3r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖10所示。

      圖10 凸輪運(yùn)行時(shí)域振動(dòng)曲線(3 r/min)

      可以看出,其在等速段運(yùn)行時(shí)振動(dòng)極小,可以忽略不計(jì);在凸輪換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生100~200nm的振動(dòng)幅值,其輪廓線的凸出端曲線更為平滑,產(chǎn)生的振動(dòng)幅值也小于凹陷端。

      5 結(jié) 語

      對(duì)于刻線密度較低的光柵,該凸輪已可以滿足使用要求;但對(duì)于更高線密度的刻劃光柵來說,100~200nm的振動(dòng)幅值已不能很好地保證刻劃精度。在行程確定的前提下,若要進(jìn)一步降低凸輪換向時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng),就需要適當(dāng)犧牲等速行程,以降低凸輪的最大加速度。試制一行程與等速凸輪相等的偏心輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其時(shí)域與頻域振動(dòng)情況如圖11所示。

      圖11 偏心輪振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

      顯然此時(shí)已不存在類似圖10中的換向振動(dòng),但必須采用間歇刻劃形式以保證刻線的直線精度,而刻劃速度的變化必然帶來刻線形狀的不均勻性,影響光柵質(zhì)量。因此,要結(jié)合實(shí)際需求綜合分析等速行程與凸輪振動(dòng)對(duì)光柵質(zhì)量產(chǎn)生的影響,以滿足光柵刻劃機(jī)的精度要求。

      [1] 李燕青,郝德阜.衍射光柵制造技術(shù)的發(fā)展[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,6(1):66-68.

      [2] 馮樹龍.光柵刻劃刀架系統(tǒng)參數(shù)對(duì)光柵刻線彎曲影響[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,34(6):635-639.

      [3] 趙復(fù)垣.刻劃階梯光柵的原理和應(yīng)用特性[J].光譜學(xué)與光譜分析,1993,13(3):101-107.

      [4] 祝邵琪.衍射光柵[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

      [5] George R, Harrison, George W Stroke. Interferometric control of grating ruling with continuous carriage advance [J]. Opt. Soc. Am.,1955,45(2):112-121.

      [6] 鄭文緯,吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].北京:高等教育出版社,2001.

      [7] 張策,陳樹昌,孟彩芳.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

      Design of the uniform motion cam mechanism for a grating ruling machine

      SONG Nan

      (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

      To meet the practical needs of a grating ruling system, here we deduce contour line calculation equations suitable for low velocity cam motion, and make the modal analysis and experiments for the cam vibration.

      uniform motion cam; grating ruling; vibration.

      2014-07-28

      國家重大科研裝備研制基金資助項(xiàng)目(ZBYZ2008-1)

      宋 楠(1985-),男,漢族,吉林松原人,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所助理研究員,碩士,主要從事光柵光譜儀器的設(shè)計(jì)與裝調(diào)方向研究,E-mail:kane_martin@163.com.

      TH 132.47

      A

      1674-1374(2014)05-0511-05

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